The Handbook of Nanomedicine

414 Pages·2008·8.467 MB·English

by  Kewal K. Jain MD, FRACS, FFPM (auth.)

The Handbook of Nanomedicine
The Handbook
of Nanomedicine
Kewal K. Jain MD, FRACS, FFPM
JainPharmaBiotech, Basel, Switzerland
KewalK.Jain
JainPharmaBiotech
Basel,Switzerland
[email protected]
ISBN:978-1-60327-318-3 e-ISBN:978-1-60327-319-0
LibraryofCongressControlNumber:2007940762
(cid:2)c2008HumanaPress,apartofSpringerScience+BusinessMedia,LLC
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tothematerialcontainedherein.
Printedonacid-freepaper
987654321
springer.com
Preface
Nanomedicine is the application of nanobiotechnology to clinical medicine.
However, new technologies do not always enter medical practice directly. Nano-
biotechnologiesare being used to research the pathomechanism of disease, refine
molecular diagnostics, and help in the discovery, development, and delivery of
drugs.Insomecases,nanoparticlesarethenanomedicines.Theroleisnotconfined
todrugsbeforedevices,andsurgicalproceduresarerefinedbynanobiotechnology,
referredtoasnanosurgery.
The Handbook of Nanomedicine covers the broad scope of this field. Starting
with the basics, the subject is developed to potential clinical applications, many
of which are still at an experimental stage. The prefix nano is used liberally and
indicates the nanodimension of existing scientific disciples and medical special-
ties. Two important components of nanomedicine are nanodiagnostics and nano-
pharmaceuticals,whichconstitutethelargestchapters.
Keepinginmindthatthereadersofthebookwillincludenonmedicalscientists,
pharmaceuticalpersonnel,aswellasphysicians,technologydescriptionsandmedi-
calterminologyarekeptassimpleaspossible.Asasingle-authorbook,duplication
isavoided.Ihopethatreadersatalllevelswillfinditaconcise,comprehensive,and
usefulsourceofinformation.
Thereisvoluminousliteraturerelevanttonanomedicine.Selectedreferencesare
quotedinthetext.
KewalK.Jain,MD
Basel,Switzerland
v
Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
ListofFigures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
ListofTables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
ListofAbbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxiii
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Nanomedicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
BasicsofNanobiotechnologyinRelationtoNanomedicine . . . . . . . . . . 2
RelationofNanobiotechnologytoNanomedicine.. . . . . . . . . . . . . . . . 4
LandmarksintheEvolutionofNanomedicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Nanotechnologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
ClassificationofNanobiotechnologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Micro-andNanoelectromechanicalSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
BioMEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
MicroarraysandNanoarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
ProteinNanoarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
MicrofluidicsandNanofluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
NanotechnologyonaChip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
UseofNanotechnologyinMicrofluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
VisualizationandManipulationonNanoscale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
AtomicForceMicroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
MagneticResonanceForceMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
ScanningProbeMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Near-FieldScanningOpticalMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
MultipleSingle-MoleculeFluorescenceMicroscopy . . . . . . . . . . . . . 17
NanoparticleCharacterizationbyHaloTMLM10Technology . . . . . . . 17
NanoscaleScanningElectronMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
OpticalImagingwithaSilverSuperlens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
vii
viii Contents
FluorescenceResonanceEnergyTransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4PiMicroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
PrincipleandApplicationsofCantilevers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
SurfacePlasmonResonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
QuantumDots. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
GoldNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
SilicaNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Lipoparticles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
AssemblyofNanoparticlesintoMicelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
BiomedicalApplicationsofSelf-AssemblyofNanoparticles . . . . . . . 28
ParamagneticandSuperparamagneticNanoparticles . . . . . . . . . . . . . 29
FluorescentNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
BacterialStructuresRelevanttoNanobiotechnology . . . . . . . . . . . . . 30
Cubosomes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Dendrimers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
DNA–NanoparticleConjugates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
DNAOctahedron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Fullerenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Nanoshells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
CarbonNanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Nanopores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
NanostructuredSilicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
NetworksofGoldNanoparticlesandBacteriophage . . . . . . . . . . . . . 39
NanotechnologiesforBasicResearchRelevanttoMedicine. . . . . . . . . . 40
NanoSystemsBiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
MolecularMotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
DisguisingQuantumDotsasProteinsforCellEntry . . . . . . . . . . . . . 45
ApplicationofNanolasersinLifeSciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Nanogenomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
DNANanotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
RNANanotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
RoleofNanobiotechnologyinIdentifying
Single-NucleotidePolymorphisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
ClinicalNanoproteomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
MultiphotonDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
NanoflowLiquidChromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
High-FieldAsymmetricWaveformIonMobilityMassSpectrometry . . 50
NanoproteomicsforStudyofMisfoldedProteins . . . . . . . . . . . . . . . 51
UseofNanotubeElectronicBiosensorinProteomics . . . . . . . . . . . . 51
StudyofProteinSynthesisandSingle-MoleculeProcesses. . . . . . . . . 52
NanofilterArrayChip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
StudyofSingle-MembraneProteinsatSubnanometerResolution . . . . 54
Nanoparticle–ProteinInteractions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Self-AssemblingPeptideScaffoldTechnologyfor3DCellCulture . . . 54
Contents ix
NanobiotechnologyforStudyofMitochondria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
NanomaterialsfortheStudyofMitochondria. . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
StudyofMitochondriawithNanolaserSpectroscopy. . . . . . . . . . . . . 56
NanobiotechnologyandIonChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
AquaporinWaterChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
NanotechnologyandBioinformatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3DNanomapofSynapse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Nanomanipulation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
NanomanipulationbyCombinationofAFMandOtherDevices . . . . . 60
SurgeryonLivingCellsUsingAFMwithNanoneedles . . . . . . . . . . . 60
OptoelectronicTweezers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3 NanomolecularDiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Nanodiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
RationaleofNanotechnologyforMolecularDiagnostics . . . . . . . . . . 64
NanoarraysforMolecularDiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
NanoProTMSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Nanofluidic/NanoarrayDevicestoDetect
aSingleMoleculeofDNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Self-AssemblingProteinNanoarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Fullerene Photodetectors for Chemiluminescence Detection
onMicrofluidicChips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
ProteinMicroarrayforDetectionofMoleculeswithNanoparticles . . . 68
ProteinNanobiochip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
NanoparticlesforMolecularDiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
GoldNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
QuantumDotsforMolecularDiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
MagneticNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
UseofNanocrystalsinImmunohistochemistry.. . . . . . . . . . . . . . . . 76
ImagingApplicationsofNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
StudyofChromosomesbyAtomicForceMicroscopy. . . . . . . . . . . . . . 81
ApplicationsofNanoporeTechnologyforMolecularDiagnostics. . . . . . 81
DNA–ProteinandDNA–NanoparticleConjugates . . . . . . . . . . . . . . . . 82
ResonanceLightScatteringTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
DNANanomachinesforMolecularDiagnostics. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
NanobarcodesTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
NanobarcodeParticleTechnologyforSNPGenotyping . . . . . . . . . . . 85
QdotNanobarcodeforMultiplexedGeneExpressionProfiling . . . . . . 85
BiobarcodeAssayforProteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Single-MoleculeBarcodingSystemforDNAAnalysis . . . . . . . . . . . 87
Nanoparticle-BasedColorimetricDNADetectionMethod. . . . . . . . . . . 88
SNPGenotypingwithGoldNanoparticleProbes . . . . . . . . . . . . . . . 88
Nanoparticle-BasedUp-ConvertingPhosphorTechnology. . . . . . . . . . . 89
Surface-EnhancedResonantRamanSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 89
x Contents
Near-Infrared(NIR)-EmissivePolymersomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
NanobiotechnologyforDetectionofProteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
CaptamerswithProximityExtensionAssayforProteins . . . . . . . . . . 91
Nanobiosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
CantileversasBiosensorsforMolecularDiagnostics. . . . . . . . . . . . . 92
CarbonNanotubeBiosensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
FRET-BasedDNANanosensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
IonChannelSwitchBiosensorTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
ElectronicNanobiosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
ElectrochemicalNanobiosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
QuartzNanobalanceBiosensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
ViralNanosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
PEBBLENanosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Microneedle-MountedBiosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
OpticalBiosensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Nanowire(NW)Biosensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
NanoscaleErasableBiodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
FutureIssuesintheDevelopmentofNanobiosensors . . . . . . . . . . . . 108
ApplicationsofNanodiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
NanotechnologyforDetectionofBiomarkers. . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
PerfluorocarbonNanoparticlestoTrackTherapeuticCellsInVivo . . . 110
MonitoringofImplantedNeuralStemCellsLabeledwithNanoparticles110
NanobiotechnologiesforSingle-MoleculeDetection . . . . . . . . . . . . . 111
Protease-ActivatedQuantumDotProbes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
NanotechnologyforPoint-of-CareDiagnostics. . . . . . . . . . . . . . . . . 112
NanodiagnosticsfortheBattleField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
NanodiagnosticsforIntegratingDiagnosticswithTherapeutics. . . . . . 114
ConcludingRemarksAboutNanodiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
FutureProspectsofNanodiagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4 Nanopharmaceuticals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
NanobiotechnologyforDrugDiscovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
GoldNanoparticlesforDrugDiscovery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
UseofQuantumDotsforDrugDiscovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
NanolasersforDrugDiscovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
CellsTargetingbyNanoparticleswithAttachedSmallMolecules . . . . 121
RoleofAFMforStudyofBiomolecularInteractions
forDrugDiscovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
NanoscaleDevicesforDrugDiscovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
NanotechnologyEnablesDrugDesignatCellularLevel . . . . . . . . . . 123
Nanobiotechnology-BasedDrugDevelopment.. . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
DendrimersasDrugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
FullerenesasDrugCandidates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Nanobodies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
RoleofNanobiotechnologyintheFutureofDrugDiscovery . . . . . . . . . 126
Contents xi
NanobiotechnologyinDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
NanoscaleDeliveryofTherapeutics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
NanobiotechnologySolutionstotheProblemsofDrugDelivery . . . . . 127
NanosuspensionFormulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
NanotechnologyforSolubilizationofWater-InsolubleDrugs . . . . . . . 129
ImprovedAbsorptionofDrugsinNanoparticulateForm . . . . . . . . . . 129
IdealPropertiesofMaterialforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
NanomaterialsandNanobiotechnologiesUsedforDrugDelivery . . . . 130
VirusesasNanomaterialsforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Nanoparticle-BasedDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
GoldNanoparticlesasDrugCarriers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
CalciumPhosphateNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
CyclodextrinNanoparticlesforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
DendrimersforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
FullereneConjugateforIntracellularDeliveryofPeptides . . . . . . . . . 135
PolymerNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
CeramicNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Nanocrystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
NanoparticlesBoundTogetherinSphericalShapes . . . . . . . . . . . . . . 138
EncapsulatingWater-InsolubleDrugsinNanoparticles . . . . . . . . . . . 139
TrojanNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Self-AssemblingNanoparticlesforIntracellularDrugDelivery. . . . . . 141
ParticleReplicationinNonwettingTemplates . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
FlashNanoPrecipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
NanoparticleCombinationsforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Liposomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
LiposomesIncorporatingFullerenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
PolymerizedLiposomalNanoparticle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
StabilizationofPhospholipidLiposomesUsingNanoparticles . . . . . . 146
ApplicationsofLipidNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Liposome–NanoparticleHybrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Nanospheres. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
NanosphereProteinCages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
NanovesicleTechnologyforDeliveryofPeptides. . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Lipid–proteinNanotubesforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
SingleWallCarbonNanotubesforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . 151
HalloysiteNanotubesforDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Nanocochleates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Nanobiotechnology-BasedTransdermalDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . 154
DeliveryofNanostructuredDrugsfromTransdermalPatches . . . . . . . 154
NanoCyteTransdermalDrugDeliverySystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
EthosomesforTransdermalDrugDelivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Nanoparticle-BasedDrugDeliverytotheInnerEar . . . . . . . . . . . . . . . 156
PulmonaryDrugDeliverybyNanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
NasalDrugDeliveryUsingNanoparticles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157